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Construire un rein artificiel implantable
Près de 400 000 personnes aux États-Unis – et jusqu'à deux millions dans le monde – comptent sur des appareils de dialyse pour filtrer les toxines de leur sang en raison d'une insuffisance rénale chronique.
Sous pression: Un rein bio-ingénierie tire parti des membranes de silicium qui permettent une filtration à très basse pression. La membrane de cette image est recouverte de cellules rénales. Les noyaux des cellules sont représentés en bleu, leurs microtubules en rouge et une protéine de jonction appelée ZO-1 en vert.
Les patients doivent être attachés à des machines au moins trois fois par semaine pendant trois à cinq heures d'affilée. Même alors, une machine de dialyse n'est qu'environ 13 % aussi efficace qu'un rein fonctionnel, et le taux de survie à cinq ans des patients dialysés n'est que de 33 à 35 %. Pour rétablir la santé, les patients ont besoin d'une greffe de rein, et il n'y a tout simplement pas assez d'organes de donneurs pour tout le monde. En août, 85 000 patients figuraient sur la liste d'attente des États-Unis pour un rein aux États-Unis, alors que seulement 17 000 greffes de rein ont eu lieu l'année dernière.
Un groupe collaboratif et multidisciplinaire de laboratoires travaille à la création du premier rein artificiel implantable. Le prototype, dévoilé la semaine dernière, est compact, pas plus gros qu'une boîte de soupe. Il filtre non seulement les toxines de la circulation sanguine, mais utilise également les cellules rénales humaines pour remplir d'autres fonctions vitales, telles que la régulation de la pression artérielle et la production de vitamine D.
La dialyse est non seulement chronophage, mais elle est également débilitante. De nombreux patients ne se sentent pas bien, car ils ne remplissent pas toutes les fonctions d'un rein normal et sain, selon un bioingénieur Chouvo Roy , dont le laboratoire de l'Université de Californie à San Francisco a produit le nouveau dispositif et le teste déjà sur des animaux. Le rein ne fait pas que filtrer les toxines. Il a également des fonctions métaboliques et des fonctions hormonales, et la dialyse ne capture pas ces capacités.
Faire un rein artificiel assez petit pour tenir dans le corps est, cependant, un grand défi. Un rein en bonne santé filtre 90 litres d'eau chaque jour. Les machines de dialyse actuelles ont la taille d'un petit réfrigérateur et nécessitent une pression substantielle pour pomper suffisamment d'eau à travers les membranes poreuses de la machine pour permettre aux contaminants d'être filtrés hors du sang.
Le nouvel implant est une fusion de plusieurs axes de recherche et profite de deux avancées récentes dans le domaine. Néphrologue de l'Université du Michigan David hume a montré que les cellules rénales humaines pouvaient être utilisées dans une machine de filtration de la taille d'une pièce pour améliorer considérablement la santé des patients dont les reins ont cessé de fonctionner. Pendant ce temps, Roy et Guillaume Fissell , néphrologue à la Cleveland Clinic, ont produit une membrane de silicium à nanopores qui, avec sa structure de pores dense et précise, pourrait aider à miniaturiser les machines de dialyse.
Le prototype est un système en deux parties : la moitié consiste en un filtre d'élimination des toxines, dans lequel des milliers de membranes de silicium sont empilées. Leurs nanopores sont si denses et si précisément formés qu'ils peuvent filtrer très précisément en utilisant uniquement la force de la propre pression artérielle du corps. Le sang circule à travers ce filtre, où les toxines, les sucres, l'eau et les sels sont éliminés sous forme de solution filtrée.
Le sang propre et le filtrat aqueux sont tous deux dirigés vers l'autre moitié du système : une cartouche séparée. Ici, ils s'écoulent sur davantage de membranes en silicone, celles-ci recouvertes d'un seul type de cellule rénale humaine, ce qui aide l'appareil à réabsorber une partie de l'eau, des sucres et des sels, ainsi qu'à produire de la vitamine D et à empêcher la pression artérielle de baisser aussi. fonctions rénales faibles à normales qui ne sont pas offertes par la dialyse. Les déchets qui ne sont pas réabsorbés sont dirigés vers un tube attaché à la vessie et éliminés sous forme de déchets dans l'urine, tout comme le ferait un rein normal.
C'est loin d'être un système complet, et les chercheurs notent qu'ils ne s'attendent jamais à ce qu'il remplace les greffes de rein. Votre rein contient 20 à 30 types de cellules, qui remplissent toutes des fonctions différentes. Mais nous aimerions surmonter un problème critique qui est apparu dans l'insuffisance rénale, dit Fissell. Si vous êtes inscrit pour une greffe de rein, vous êtes beaucoup plus susceptible de mourir sur la liste d'attente que d'obtenir un rein. Il dit que l'appareil pourrait servir de pont pour les patients en attente de greffe.
D'un point de vue général, tout dispositif implantable réduirait considérablement le fardeau que les patients subissent actuellement, selon Glenn Chertow , le chef du service de néphrologie à la faculté de médecine de l'université de Stanford. Et si une partie de la magie supplémentaire fournie par un rein natif pouvait être ajoutée à un dispositif implantable, nous pourrions nous rapprocher du rétablissement d'une bonne santé.
Les chercheurs ont déjà résolu certains des problèmes les plus difficiles : Humes a trouvé comment cultiver des cellules rénales à l'échelle nécessaire (il peut cultiver suffisamment de cellules pour 100 000 appareils à partir d'un seul rein). Il a également déterminé la meilleure façon de les congeler pour une utilisation future. Et Roy, lauréat du TR35 en 2003, a testé l'implant sur une dizaine de rats et une poignée de porcs. Ils doivent encore augmenter l'efficacité de l'implant à quelque chose qui pourrait fonctionner efficacement chez l'homme, mais ils espèrent commencer les essais humains dans cinq à sept ans. À l'heure actuelle, la biocartouche peut filtrer entre 30 et 35 litres d'eau par jour, et elle doit pouvoir en filtrer au moins 43. Ils doivent également trouver des moyens de s'assurer que les appareils ne provoquent pas de caillots sanguins ou de réactions immunitaires.
D'autres groupes travaillent également à des alternatives aux rendez-vous de dialyse trois fois par semaine, bien que la plupart se concentrent sur des dispositifs de dialyse portables - une proposition difficile en soi, étant donné le défi de la filtration constante à des volumes aussi importants sans pompe externe. L'un de ces dispositifs en est déjà à la deuxième étape des essais cliniques. Mais même une dialyse constante ne peut pas remplacer les autres fonctions du rein.
Allen Nissenson, directeur marketing de DaVita , l'un des plus grands fournisseurs de dialyse du pays, affirme que le concept implantable est attrayant. C'est un rein de bioréacteur, un concept incroyablement innovant, et vraiment excitant s'il s'avère réalisable à plus grande échelle, dit-il.